В итоге своих многолетних исследований А. Ф. Можайский впервые в истории науки сформулировал закон элементарной аэродинамики, устанавливающий соотношение между весом, скоростью и площадью. «Для возможности парения в воздухе, — утверждал он, — существует некоторое отношение между тяжестью, скоростью и величиной площади или плоскости, и несомненно то, что чем больше скорость движения, тем большую тяжесть может нести та же площадь».[4]
Через двадцать восемь лет после этого утверждения Н. Е. Жуковский в результате теоретических и экспериментальных исследований по вопросу о подъёмной силе обосновал в своём труде «О присоединённых вихрях» (1906 год) природу возникновения подъёмной силы и дал её математическое выражение. Так родилась известная теперь всему миру теорема Жуковского о подъёмной силе крыла. Разработанная Жуковским теория является фундаментом всей современной аэродинамики, а его метод расчёта подъёмной силы самолёта и гребных винтов самолёта ныне применяется авиационными конструкторами и учёными всех стран. На основе вихревой теории Жуковского подсчитывается величина подъёмной силы самолёта, находящаяся в прямой зависимости от плотности воздуха, площади крыла и квадрата скорости.
Для проверки найденных им в ходе экспериментов и исследований исходных данных изобретатель строит модели самолёта. Модели Можайского, как это установлено по документам, представляют собой лодку-фюзеляж, к которой крепятся неподвижные крылья, хвостовое оперение и тележка-шасси для разбега модели по земле. На моделях его были установлены три винта: тянущий спереди и два малых, в прорезах крыла. В качестве двигателя употреблялись пружинный или резиновый механизмы.
Модели самолётов Можайского хорошо летали даже с добавочным грузом. Об этом имеются яркие свидетельства современников изобретателя. Полковник П. Богословский, хорошо знавший работы изобретателя, указывал: «На днях нам довелось быть при опытах над летательным аппаратом, придуманным нашим моряком г. Можайским. Изобретатель весьма верно решил давно стоящий на очереди вопрос воздухоплавания. Аппарат при помощи своих двигательных снарядов не только летает, бегает по земле, но может и плавать…Опыт доказал, что существовавшие до сего времени препятствия к плаванию в воздухе блистательно побеждены нашим даровитым соотечественником. Господин Можайский совершенно верно говорит, что его аппарат при движении на всех высотах будет постоянно иметь под собой твёрдую почву и что плавание на таком аппарате в воздухе менее опасно, чем езда по железной дороге».[5]
Известно, что в те времена ещё не существовало аэродинамических труб, то есть специальных приспособлений для продувки моделей искусственным потоком воздуха. Все свои опыты Можайский проводил над моделями, свободно перемещающимися в воздушном пространстве. Научные результаты и значимость этих опытов были впоследствии подтверждены многими учёными.
Постройкой моделей самолёта, которые свободно летали даже с нагрузкой в килограмм, Можайский практически доказал возможность полёта аппарата тяжелее воздуха. Эти работы русского изобретателя открывали новую страницу в истории науки и техники.
* * *
Изобретатель представил на рассмотрение правительственной комиссии проект летательного аппарата для постройки его в натуральную величину. «В конце семидесятых годов Александр Фёдорович решился подвергнуть своё изобретение суду научной критики, — отмечает в своих воспоминаниях старший сын Можайского, — предложив военному министерству использовать свой проект для военных целей в предстоящей войне с Турцией. В январе 1877 года, по распоряжению военного министра графа Милютина, была образована особая комиссия из специалистов и учёных для рассмотрения проекта».[6] В составе этой комиссии были представлены: знаменитый русский учёный Д. И. Менделеев, генерал-лейтенант Зверев, профессор Николаевской инженерной академии полковник Петров, член морского технического комитета полковник Богословский и военный инженер Струве.
В январе 1877 года эта комиссия обсуждала проект Можайского. Она указала, что изобретатель «в основание своего проекта принял положения, признаваемые ныне за наиболее верные и способные повести к благоприятным конечным результатам».[7]
Одобрив проект Можайского, комиссия ходатайствовала об ассигновании необходимых средств для продолжения работ и предложила изобретателю составить программу дальнейших опытов по уточнению некоторых расчётных данных перед постройкой самолёта в натуральную величину.
Можайский разработал в соответствии с решением комиссии подробную программу опытов над моделями летательного аппарата и вскоре представил её на утверждение в Главное инженерное управление. В этой программе изобретатель указывал:
«Исследовать и приискать наилучшую форму винта двигателя аппарата в отношении числа перьев или лопастей его, изгиба их или угла с валом. Отыскать наиболее выгодную величину площади винта в отношении двигающей его силы, диаметр его.
Так как нижняя площадь перьев винта не даёт полезной работы, то, понемногу вырезая ее, определить наивыгоднейшую величину выреза покрышки винта около вала.
Вернее, определить величину площадей хвоста аппарата; это можно сделать только при испытаниях во время полёта моделей.
Испытать, также при полёте, движение маленьких площадей на задней части крыльев на повороты аппарата, на направление его вверх и вниз.
Для движения моделей заказать маленькую паровую машину, а до того времени взамен машинок с часовым механизмом, часто лопающихся, сделать механизм, в котором стальную пружину заменить резиновыми шнурами. Имеющаяся у меня подобная маленькая машинка оправдывает своё назначение.
По заключению, выведенному над маленькими винтами, то-есть по приисканию наилучшей его формы, сделать винт большого размера и подвергнуть его пробе паровою машиною, причём выяснится, достаточны ли крепость материала, введённого в постройку, толщина вала и сила винта по индикатору.
Сделать модельку большого размера с целью получения большей скорости полёта, причём определить сравнительно с малою моделькою величину площадей крыльев и хвоста, скорость, необходимую для движения в воздухе тяжести, на один квадратный фут площади.
1877 г., февраля 14 дня.
Капитан 1-го ранга А. Можайский»[8]
Это была стройная и научно обоснованная программа опытов над моделями летательного аппарата.
Намеченное Можайским испытание «маленьких площадей на задней части крыльев на повороты аппарата, на направление его вверх и вниз» было, по сути дела, обоснованием устройства органов поперечной устойчивости самолёта (элеронов), которые нашли широкое применение лишь спустя 25–30 лет. Это важнейшее даже для современной авиационной техники открытие по управлению самолётом было сделано Можайским на основании опытов, которые он проводил по указанию первой правительственной комиссии.
Намеченная Можайским программа успешно осуществлялась. В газете «Санкт-Петербургские ведомости» от 11 июня 1877 года напечатано письмо Зарубина в редакцию, в котором говорится:
«С результатами исследований одного нашего специалиста, давно уже работающего над проектированием своеобразного летательного аппарата, мы имели случай на днях ознакомиться. Мы говорим об аппарате, изобретённом нашим моряком г. Можайским…В нашем присутствии опыт был произведён в помещении манежа над моделью, которая бегала и летала совершенно свободно и опускалась очень плавно, полёт происходил и тогда, когда на модель клали кортик, что, сравнительно, представляет груз весьма значительного размера. Изобретение г. Можайского было уже на испытании нескольких известных специалистов и заслужило их одобрение».
Можайский был твёрдо убеждён, что только постройка аппарата в натуральную величину поможет окончательно разрешить поставленную проблему.
Анализируя результаты своих опытов с летающими моделями, Можайский пришёл к выводу, что винты должны быть четырёх-лопастными, со значительно уширяющимися частями на концах лопастей, причём для большей надёжности он решает установить три винта: один главный, тянущий, и два меньших, толкающих винта. Изобретатель определил и величину подъёмных поверхностей хвостового оперения, а также скорость, необходимую для движения аппарата в воздухе, и вес тяжести, допустимый на один квадратный фут площади. Все эти данные явились исходными для постройки самолёта в натуральную величину. На основании их изобретатель определил размеры аппарата и рассчитал скорость полёта до 40 километров в час. Винты приводились во вращение двумя паровыми машинами в 30 лошадиных сил.